CN111155478A - 一种具有涉水桥梁的河床防护装置及防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涉水桥梁基础冲刷防护技术领域，具体是涉及一种具有涉水桥梁的河床防护装置及防护方法。包括用于向河水中通入气体以减小在桥墩处水流对河床冲刷的鼓风曝气系统，用于检测水流参数的参数检测单元，用于依据参数检测单元获取的数据向鼓风曝气系统发送指令的控制系统；参数检测单元的输出端连接控制系统的输入端，控制系统的输出端连接鼓风曝气系统的输入端。从河床面向河水中通入一定压力的气体，能够改变桥墩周围水流结构，阻碍桥墩前水流下潜或桥墩周边湍流漩涡对河床的冲刷而带走桥墩周围的泥沙，来降低水流对桥梁基础的影响，保证桥梁基础稳定。

Description

一种具有涉水桥梁的河床防护装置及防护方法

技术领域

本发明涉及涉水桥梁基础冲刷防护技术领域，具体是涉及一种具有涉水桥梁的河床防护装置及防护方法。

背景技术

设置在河道中的桥墩减小了桥位处原河道的过水面积，桥位处区段的河道水流加速，加之墩前下潜水流、墩周马蹄涡流和垂直管状尾涡等作用，在桥墩周围形成结构复杂的湍流漩涡体系，剧烈扰动的旋涡带走桥墩周围河床泥沙形成一个局部冲刷区，桥墩基础局部冲刷将减小桥梁基础的埋深，造成桥梁基础受损、桥梁承载力下降，特别是洪水期间冲刷剧烈，严重还会导致桥墩失稳和桥梁倾覆。虽然人们已就桥墩局部流场结构、泥沙侵蚀输运特性、局部冲坑演变特征等进行了深入研究，但由于湍流漩涡体系复杂，目前仍难于全面掌握局部冲刷演变机理，采用一定的工程措施进行桥梁基础局部冲刷防护是常用方法。由于局部冲刷受水流状态、桥墩墩形、床沙组成、河床形态等因素影响，已有的桥梁基础局部冲刷防护效果均有不足之处。

剧烈扰动的旋涡带走桥墩周围河床面泥沙形成桥梁浅基，桥梁浅基即由于桥墩周围的泥沙被带走而导致桥墩周围的泥沙减少。浅基桥梁不但使汛期行车安全受到威胁，严重还会导致桥墩失稳和桥梁倾覆。

因此，亟需解决河水冲刷带走桥墩周围的泥沙以降低冲刷对桥墩的影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的之一是提供了一种具有涉水桥梁的河床防护装置，通过向河水中鼓入气体，局部改变水流结构，消减水流的冲刷作用，降低水流对桥梁基础的影响，保证桥梁基础稳定。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种具有涉水桥梁的河床防护装置，包括用于向河水中通入气体以减小在桥墩处水流对河床冲刷的鼓风曝气系统，用于检测水流参数的参数检测单元，用于依据参数检测单元获取的数据向鼓风曝气系统发送指令的控制系统；所述参数检测单元的输出端连接控制系统的输入端，所述控制系统的输出端连接鼓风曝气系统的输入端。

进一步，所述鼓风曝气系统包括鼓风机和冲刷防护管网，所述鼓风机与冲刷防护管网连通；所述控制系统的输出端与鼓风机的驱动端连接。

进一步，所述冲刷防护管网设置在桥墩的上游来水侧和/或冲刷防护管网设置在桥墩的四周。

进一步，所述冲刷防护管网包括与鼓风机相连通的鼓风曝气管道，设置在鼓风曝气管道上且与鼓风曝气管道连通的曝气头，各个鼓风曝气管道彼此连通。

进一步优选的，所述曝气头的上部和/或侧面和/或底部设置有出气孔。

进一步，所述参数检测单元包括水压传感器，所述水压传感器的输出端与控制系统的输入端连接；或者，所述参数检测单元包括流速传感器，所述流速传感器的输出端与控制系统的输入端连接；或者，所述参数检测单元包括水压传感器和流速传感器，所述水压传感器的输出端和控制系统的第一输入端连接，所述流速传感器的输出端和控制系统的第二输入端连接。

进一步优选的，所述水压传感器的外部设置有外罩，所述外罩为镂空状。

本发明的目的之二是提供一种具有涉水桥梁的河床防护方法，包括如下步骤：

S1，获取河水的水流参数；

S2，若水流参数大于第一设定值，则将外界的气体输送至河水中，直至水流参数小于第二设定值，则停止输送气体。

进一步，步骤S1中获取水流参数的具体步骤如下：

通过参数检测单元获取水流参数，所述水流参数包括水压和/或河水的流速；

步骤S2的具体步骤如下：

若水流参数大于第一设定值，则鼓风机将外界的气体依次通过鼓风曝气管道、曝气头输送至河水中，直至水压小于第二设定值，则鼓风机停止输送气体；鼓风曝气管道固定在河床中，且鼓风曝气管道位于桥墩的上游来水侧和/或桥墩的四周。

进一步优选的，所述曝气头的顶部位于河水与河床的交界面处和/或曝气头位于河水中，且曝气头向上喷气和/或曝气头向下喷气和/或曝气头沿水平方向喷气。

本发明的有益效果如下：

(1)当河水从上游流至桥墩处，河水在自身向下的重力和桥墩对其水平作用力的共同影响下，河水在桥墩周围形成漩涡，漩涡带动河床上的泥沙运动，使得桥墩所在的位置处的泥沙减小形成漩涡凹坑，这会影响桥墩的稳固性。

向河水中通入气体，能够改变桥墩周围水流结构，阻碍桥墩前水流下潜或桥墩周边湍流漩涡对河床的冲刷，来降低水流对桥梁基础的影响，保证桥梁基础稳定。

(2)在动态的河水中，水位越深和水的流速越大，水压越大，在水位不变的前提下，通过检测水压可以获知水的流速，依据水压的大小，自动控制鼓风机的工作状态，能够实现自动控制，实时监控。

(3)水压传感器安装在河床与河水的交界处，这是因为该处的河水是形成漩涡的主要影响因素，检测该处的水压，能够提高准确性。

(4)水压传感器安装在桥墩背水侧河床与河水的交界处，检测该处的水压可以代表冲刷水流的特征值，也可避免河道水流的直接顶冲。

(5)曝气头固定在河水中，能够将外界的气体直接扩散在河水中，减少气体扩散的时间，以便及时减小水流形成的漩涡，达到保护桥墩的目的。曝气头固定在河床中，能够防止河水中携带的物体砸中曝气头而导致其损坏。

(6)本发明通过水压传感器采集水压传感器处压强，判断系统根据水压信号将指令发给控制系统，控制系统根据指令控制曝气鼓风机的启闭和输出功率，气动系统的曝气头所产生的气流或气泡上行能改变河床面防冲刷区域水流结构，阻碍墩前水流下潜或桥墩周边湍流漩涡对河床的冲刷，降低水流对桥梁基础的影响，达到保护的目的。

附图说明

图1和图2为本发明的整体结构图；

图3为本发明的冲刷防护管网的结构图。

图中标注符号的含义如下：

10-桥墩 11-系梁 12-锚杆 20-鼓风机 21-控制系统 22-外壳

23-导气管道 24-流速传感器 25-外罩 26-水压传感器

27-鼓风曝气管道 28-曝气头

具体实施方式

以下结合实施例和说明书附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种具有涉水桥梁的河床防护装置，包括用于向河水中通入气体以减小在桥墩10处水流对河床冲刷的鼓风曝气系统，用于检测水流参数的参数检测单元，本实施例中，鼓风曝气系统从下往上向河水中通入气体，用于依据参数检测单元获取的数据向鼓风曝气系统发送指令的控制系统21；参数检测单元的输出端连接控制系统21的输入端，控制系统21的输出端连接鼓风曝气系统的输入端。

如图1所示，鼓风曝气系统包括固定安装在桥梁的系梁11上的鼓风机20，鼓风机20出风口处的导气管道23，与导气管道23连通且固定在河床中的鼓风曝气管道27，固定安装在鼓风曝气管道27上的曝气头28。鼓风曝气管道27可以只固定在桥墩10的来水侧，来水侧即迎水侧，如图2所示，也可以在桥墩10的四周都固定有鼓风曝气管道27。曝气头28可以位于河床中，也可以伸入到河水中。

如图1所示，导气管道23包括三段管道，端部的两段分别与鼓风机20和鼓风曝气管道27相连接，中间段固定在桥墩10中，能够增加导气管道23的牢固性。

控制系统21和鼓风机20的外部设置有外壳22，能够防止外界因素影响它们的正常工作。

鼓风曝气管道27的数量为若干个，如图3所示，各个鼓风曝气管道27构成矩形管网或环形管网，曝气头28均匀分布在矩形管网，盘式的曝气头28曝气气泡直径小，气液界面直径小，气液界面积大，气泡扩散均匀，不会产生孔眼堵塞，耐腐蚀性强，鼓风曝气管道27的下方连接有锚杆12，锚杆12固定在沙石中，能够增加鼓风曝气管道27的牢固性，防止被水流冲走，该矩形管网垂宽度不小于桥墩10的宽度/或环形宽度不小于桥墩10的最大外缘尺寸。

参数检测单元可以为水压传感器26，也可以为流速传感器24，或者，水压传感器26和流速传感器24共同使用，本实施例中，参数检测单元为水压传感器26，型号为WMY-BQ。水压传感器26固定在桥墩10的背水侧，水压传感器26的外部设置有外罩25，外罩25为镂空状，能够防止临水侧的水流冲击水压传感器26。采用水压传感器26能够避免因为水流比较大，不易防护的问题，也能够避免因泥沙容易把检测仪器冲走的问题。

控制系统21包括控制器和判断器，判断器用于判断水压是否达到设定值，控制器用于向鼓风机20发送指令。

实施例2

在实施例1的基础上，一种使用河床防护装置的防护方法，包括如下步骤：

S1，将水压传感器26固定在桥梁的桥墩10的上游来水侧，且水压传感器26的底部位于河水与河床交界处，以此获取河水与河床交界面处的水压。

S2，若水压大于第一设定值，则将外界的气体经鼓风机20形成一定压强的气流输送至河水中，鼓风机20形成气流压强需要随河水的水流参数变化，直至水流参数小于第二设定值，则停止输送气体则将外界的气体输送至河水与河床交界处，气体向上移动且扩散至河水中，以减轻河水冲刷河床；或者，将外界的气体输送至河水中；直至水压小于第二设定值，则停止输送气体，具体步骤如下：

水压传感器26获取的水压通过导线传送至控制系统21，若该水压大于第一设定值，则鼓风机20将外界的气体依次通过导气管道23、鼓风曝气管道27、曝气头28输送至河水中，直至水压小于第二设定值，则鼓风机20停止输送气体。

工作原理：首先，按照如图1所示的安装方法安置好装置。接着，通过水压传感器26来采集A处压强，判断系统根据水压信号将指令发给自动的控制系统21，控制系统21根据指令控制曝气鼓风机20的启闭和输出功率，曝气的鼓风机20在相应的输出功率下工作，使曝气头28产生一定量气泡或气流，气泡或气流上行能改变河床面防冲刷区域水流结构，阻碍墩前水流下潜或桥墩10周边湍流漩涡对河床的冲刷，来降低水流对桥梁基础的影响，保证桥梁基础稳定。

取曝气头设备上部的一部分水体为研究对象，令B处的压强(σb+σ气)作用在该水体的力为F1,该水体上部水压力作用在该水体的力为F2,该水体所受浮力为F3,该水体下潜的加速度设为a,该水体的质量为m,重力加速度为g。

由牛顿第二定律得：F2+mg-F1-F3＝ma。为阻碍下潜水流的下潜，同时间接阻碍马蹄形漩涡的形成，减缓水流对桥梁基础的冲刷，则需a<0,且a越大，阻碍效果越好，防冲刷效果越好。故可通过控制F1的大小来得到不同的a值。而鼓风机20在不同输出功率p作用下，产生气泡的量不同，会使得B处压强(σb+σ气)不同，从而得到不同的F1。从能量的角度来看，就是要求鼓风机20在一定功率下所做的功与下潜流的位置势能之和大于下潜流的动能。

A处压强为σa，则σb与σa的关系可由曝气头设备与水压传感器26安装的位置关系来确定，可设σb＝σa+σ1，σ1为某一定值，则B处的压强可表示为(σa+σ气+σ1)。故可通过水压传感器26来采集A处压强σa，判断系统根据水压信号将指令发给控制系统21，控制系统21根据指令控制曝气鼓风机20的输出功率为p,使曝气头设备产生一定量气泡，压强为相应的σ气，则B处压强为(σa+σ气+σ1)，最终使得a<0。

当σa达到某个定值σ0时，控制系统21才自动启动鼓风机20，使其具有一定的功率P；若σa＜σ0,则控制系统21会自动关闭鼓风机20。

A处压强为σa，此时控制系统21控制鼓风机20输出功率为P：

若σa＞σ0，当水流增大或减小，A处压强增加或减小△σ,压强变为σa±△σ，水压传感器26将相应信号传给控制系统21，控制系统21自动调节鼓风机20的输出功率P变为相对应的P±△P,最终使得a<0。即A处不同大小的压强σa,控制系统21都能调节鼓风机20,使其具有相对应的输出功率P，使得最终a<0。

若σa＝σ0，当水流增大，A处压强增加△σ，压强变为σ0+△σ，则控制系统21自动调节鼓风机20的输出功率P变为相对应的P0+△P，最终使得a<0；当水流减小，A处压强减小△σ，压强变为σ0-△σ，则控制系统21会自动关闭鼓风机20。

Claims (10)

1.一种具有涉水桥梁的河床防护装置，其特征在于：包括用于向河水中通入气体以减小在桥墩(10)处水流对河床冲刷的鼓风曝气系统和用于检测水流参数的参数检测单元，还包括用于依据参数检测单元获取的数据向鼓风曝气系统发送指令的控制系统(21)；所述参数检测单元的输出端连接控制系统(21)的输入端，所述控制系统(21)的输出端连接鼓风曝气系统的输入端。

2.如权利要求1所述的河床防护装置，其特征在于：所述鼓风曝气系统包括鼓风机(20)和冲刷防护管网，所述鼓风机(20)与冲刷防护管网连通；所述控制系统(21)的输出端与鼓风机(20)的驱动端连接。

3.如权利要求2所述的河床防护装置，其特征在于：所述冲刷防护管网设置在桥墩(10)的上游来水侧和/或冲刷防护管网设置在桥墩(10)的四周。

4.如权利要求3所述的河床防护装置，其特征在于：所述冲刷防护管网包括与鼓风机(20)相连通的鼓风曝气管道(27)以及设置在鼓风曝气管道(27)上且与鼓风曝气管道(27)连通的曝气头(28)，各个鼓风曝气管道(27)彼此连通。

5.如权利要求4所述的河床防护装置，其特征在于：所述曝气头(28)的上部和/或侧面和/或底部设置有出气孔。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的河床防护装置，其特征在于：所述参数检测单元包括水压传感器(26)，所述水压传感器(26)的输出端与控制系统(21)的输入端连接；或者，所述参数检测单元包括流速传感器(24)，所述流速传感器(24)的输出端与控制系统(21)的输入端连接；或者，所述参数检测单元包括水压传感器(26)和流速传感器(24)，所述水压传感器(26)的输出端和控制系统(21)的第一输入端连接，所述流速传感器(24)的输出端和控制系统(21)的第二输入端连接。

7.如权利要求6所述的河床防护装置，其特征在于：所述水压传感器(26)的外部设置有外罩(25)，所述外罩(25)为镂空状。

8.一种使用河床防护装置的防护方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，获取河水的水流参数；

S2，若水流参数大于第一设定值，则将外界的气体输送至河水中，直至水流参数小于第二设定值，则停止输送气体。

9.如权利要求8所述的防护方法，其特征在于，步骤S1中获取水流参数的具体步骤如下：

通过参数检测单元获取水流参数，所述水流参数包括水压和/或河水的流速；

步骤S2的具体步骤如下：

若水流参数大于第一设定值，则鼓风机(20)将外界的气体依次通过鼓风曝气管道(27)、曝气头(28)输送至河水中，直至水压小于第二设定值，则鼓风机(20)停止输送气体；鼓风曝气管道(27)固定在河床中，且鼓风曝气管道(27)位于桥墩(10)的上游来水侧和/或桥墩(10)的四周。

10.如权利要求9所述的防护方法，其特征在于：所述曝气头(28)的顶部位于河水与河床的交界面处和/或曝气头(28)位于河水中，且曝气头(28)向上喷气和/或曝气头(28)向下喷气和/或曝气头(28)沿水平方向喷气。

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